Št. leto 2012/2013 MATERIALI IN TEHNOLOGIJE

Št. leto 2012/2013 MATERIALI IN TEHNOLOGIJE

Predavanja: pon. 9:00 13:00 Laboratorijske vaje: asistent doc. dr. Marko Petkovšek poročila o opravljenih vajah je treba speti v mapo in jih prinesete na zagovor

2 kolokvija: Pisni del izpita je opravljen, če je rezultat obeh kolokvijev vsaj 50%, datum in uro določimo po dogovoru

Literatura Zapiski predavanj: na spletni strani: http://lrtme.fe.uni-lj.si

Kaj je treba vedeti o materialih s področja elektrotehnike? teoretična izhodišča za razvijanje, preizkušanje in uporabo materialov, klasifikacija elektrotehniških materialov po lastnostih, sestavi in uporabi, vrednosti fizikalnih, kemičnih in električnih veličin, ki ovrednotijo lastnosti in nam omogočajo odločanje o uporabnosti materialov, ekonomičnost uporabe materialov v načrtovani konstrukciji oz. napravi.

RAZDELITEV ELEKTROTEHNIŠKIH MATERIALOV (I) aktivni elektrotehniški materiali (npr. neposredno odločajo o elektromagnetnih razmerah) konstrukcijski materiali, katerih glavna naloga je, da elemente iz aktivnih elektrotehničnih materialov mehansko povežejo v funkcionalno celoto pomožni materiali (npr. maziva, hladilna sredstva, laki ipd.).

RAZDELITEV ELEKTROTEHNIŠKIH MATERIALOV (II) 1. Prevodni materiali materiali za vodnike, materiali za upore, materiali za kontaktne pole, materiali za termoelemente, materiali za bimetalne zveze, materiali za vezi skozi steklo, loti, materiali za pokovinjanje, materiali za naparevanje, superprevodni materiali.

RAZDELITEV ELEKTROTEHNIŠKIH MATERIALOV (II) 2. Polprevodniški materiali materiali za polprevodniške diode in tranzistorje, materiali za termistorje, varistorje, fotocelice, fotoupore, fototranzistorje, ipd.

RAZDELITEV ELEKTROTEHNIŠKIH MATERIALOV (II) 3. Magnetni materiali mehkomagnetni materiali, trdomagnetni materiali.

RAZDELITEV ELEKTROTEHNIŠKIH MATERIALOV (II) 4. Izolacijski materiali materiali za izolatorje, materiali za dielektrike, impregnacijski izolanti, zalivke, feroelektrični ali seignetoelektrični materiali

Splošna razdelitev snovi Homogene snovi, ki imajo enotno zgradbo in pri delitvi mase dobimo snov z enakimi lastnostmi, kot jih je imela prvotna masa. V to skupino spadajo snovi z določeno kemijsko sestavo in sicer kemični elementi in čiste kemične spojine, homogene zmesi in spojine, ki so sestavljene iz veččistih homogenih snovi. Heterogene snovi, ki so zmesi različnih homogenih snovi in od katerih vsaka v zmesi ohranja svoje karakteristične lastnosti (sivo železo, granit, izolacijski lak, ipd.).

Zgradba atomov in periodni sistem elementov Osnovni delci snovi so protoni, nevtroni in elektroni. Vsakemi od njih lahko določimo maso m, električni naboj q, spin s in magnetni moment µ m. Električni naboj in spin sta kvantizirani veličini. To pomeni, da ima npr. vsak delec električni naboj, ki je mnogokratnik osnovnega naboja e 0 = 1,602 10-19 As. Spin (nem. Drehimpuls) je vedno polovica ali celoštevilčni mnogokratnik veličine ħ = h/2π, kjer je h Planckova konstanta in znaša h = 6,624 10-34 Js. Magnetni dipolni moment elektrona Bohrovemu magnetonu (µ B = e 0 h/4πm e ). je po velikosti enak

Pomembne veličine osnovnih delcev snovi: Proton Nevtron Elektron Naboj e 0 = 1,602 10-19 As 0 e 0 = -1,602 10-19 As Masa v mirovanju m P = 1,672 10-27 kg m N = 1,672 10-27 kg m E = 9,105 10-31 kg Spin s P = 5,3 10-35 Js s N = 5,3 10-35 Js s E = 5,3 10-35 Js Magnetni moment µ P = 1,4 10-26 Am 2 µ N = -1,0 10-26 Am 2 µ E = -9,3 10-24 Am 2

Kvantna števila Kvantno število Vrednost Oznaka Pomen n 1,2,3,... K,L,M, Glavno kvantno število (en. nivo elektrona) l 0,1,2...n-1 s,p,d,f Tirno kvantno število (določa obliko orbital) m l 0,±1, ±2,..., ± l - Smerno kvantno število (določa orientacijo orbital) m s ±1/2 - Spinsko kvantno število

Elektronske lupine Stanje elektronov v atomu opišemo z vsemi štirimi kvantnimi števili Po Pauli-jevem principu se stanja elektronov v atomu ne morejo ujemati v vseh štirih kvantnih številih Kemične lastnosti atomov so določene z razporeditvijo elektronskih lupin Vsaka lupina je določena z glavnim kvantnim številom n (v literaturi so označene tudi z velikimi črkami K, L, M, N,... Maksimalno število elektronov v posamezni lupini izračunamo s pomočjo formule: n 1 l= 0 m l m s = n 1 l= 0 2 ( 2 l + 1) 2 = 2 n

Podlupine - orbitale Z naraščanjem glavnega kvantnega števila se povečuje povprečna razdalja elektronov od jedra in njihova energija V posameznih lupinah obstaja nadaljnja delitev elektronov glede na kvantno število l. Podlupine oz. orbitale označujemo s črkami s, p, d, f. Vsaka orbitala ima lahko (2l + 1) x 2 elektronov

Največja možna zasedenost orbital Lupina N 1 2 3 4 Simbol K L M N Orbitala s 2 2 2 2 Orbitala p - 6 6 6 Orbitala d - - 10 10 Orbitala f - - - 14 Skupaj 2 8 18 32

s in p orbitale

Energijska stanja elektronov Energija Energija s p s d p s f d p s f d p s f d p s d p s Glavno kv. št.: 1 2 3 4 5 6 7 Orbitala: K L M N O P Q Energijska stanja elektronov po orbitalah

Bohrov in kvantnomehanski model vodikovega atoma

Kemijske vezi ionska vez (proces ionizacije, oddaja ali sprejem elektronov) kovalentna vez prekrivanje elektronskih oblakov, nastanek hibridnih orbital kovinska vez mobilni elektroni, ki tvorijo elektronsko vez, elektronski plin F ef K privl Kodb ( r ) = Fprivl + Fodb = + 2 9... 12 r r 0 = 0

IONSKA VEZ Vez je značilna za elemente z različnimi lastnostmi. Nastopi takrat, ko eden od obeh atomov z oddajo elektrona postane pozitivno nabit, drugi pa s prejemom elektrona na zunanji obli postane negativno nabit. V tem primeru se vzpostavi vez na osnovi elektrostatične privlačne sile med kationom in anionom. Primer: NaCl Na (p) Na + (p) + e - (p) Pri oddaji elektrona rabimo ionizacijsko energijo 8,21x10-19 J/atom Cl (p) + e - (p) Cl - (p) Pri sprejemu elektrona se sprosti energija 6,11x10-19 J/atom Pri tvorbi kristalne strukture: Na + (p) + Cl - (p) NaCl (kristal) se sprosti energija 1,27 x 10-18 J/molekulo Efektivna vrednost energije celotne reakcije je 1,06 x 10-18 J/molekulo. Večji del dobimo v postopku kondenzacije, ko se tvori kristalna mreža

Kovalentna vez (I) V teh primerih ne tvorijo vezi ioni ampak nevtralni atomi. Vez tvorijo elektronski pari, ki pripadajo obema atomoma v molekuli. Kovalentna vez je povezana s povsem določeno prostorsko razporeditvijo atomov, oz molekul Si (1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 ) ima v nepopolno zasedeni lupini M štiri valenčne elektrone. Zaradi tega potrebuje štiri sosednje atome, ki se prostorsko razporedijo po določenem geometrijskem pravilu.

Kovalentna vez (II) Kovalentne vezi delujejo v različnih geometrijskih smereh enako močno. Zaradi tega imajo mnoge snovi, ki jih povezujejo kovalentne vezi, zelo visoko trdoto (Primer: diamant, SiC, Silicijev nitrid Si 3 N 4 in veliko kovinskih oksidov Prehod med ionsko in kovalentno vezjo + - + - δ+ δ- Ionska vez kovalentna vez

Kovalentna vez (III) Kristal Izraženost ionskega značaja Si, Ge 0 SiC 0,18 GaAs 0,31 SiO 2 0,51 ZnO 0,62 CdS 0,69 MgO 0,84 AgCl 0,86 NaCl 0,96 Izraženost ionske vezi pri različnih snoveh

Kovinska vez Kovino lahko obravnavamo kot sistem, ki je zgrajen iz pozitivnih ionov in je obdan s prostimi elektroni. Kovinska vez je posledica elektrostatične privlačne sile med kationi in elektroni. Prosti elektroni v kovini so glavni vzrok za dobro električno in toplotno prevodnost ter za optične lastnosti kovinskih površin (refleksija, neprozornost).

Primerjava treh vrst vezi Ionska vez kovalentna vez kovinska vez

POJMI IN DEFINICIJE ZA DOLOČANJE LASTNOSTI MATERIALOV 1. Masa Masa m je lastnost snovi in je določena kot razmerje med silo F in pospeškom a: m = a F Ns 2 m ali [ kg] m = m 1 0 v c 2 2

2. Gostota ρ = 3 3 cm g, m kg V m ρ ρ je odvisna od temperature in pritiska. 3. Specifična teža snovi σ = 3 m N V G γ

4. Agregatno stanje snovi Ob delovanju zunanjih fizikalnih vplivov lahko snov nastopa v več agregatnih stanjih. Takrat govorimo o fazah. (tekoča, trdna in plinasta). 5. Izotropnost in anizotropnost Smerna odvisnost fizikalnih lastnosti snovi 6. Struktura in tekstura snovi S pojmom tekstura materiala označujemo način sestave zrn v nekem telesu. 7. Monomorfnost, polimorfnost in amorfnost. 8. Tališče in strdišče

19. Vpojnost za vodo To lastnost preizkušamo tako, da material s površino 100 cm 2 pustimo sedem dni pri temperaturi 20 C v destilirani vodi. Prirastek teže pove količino absorbirane vlage. σ V (mg / 100 cm 2, 7 dni) 20.Vsebina vlage Je razmerje med težo vlage in težo suhega materiala v %: G vl - teža vlage, G m - teža vlažnega materiala, G s - teža suhega materiala, (posebno pomemben podatek za izolacijske materiale). vl G G G m s vl (%) = 100 = 100 S G G S

21. Relativna vlaga Je razmerje med trenutno težo vodne pare v zraku in težo vodne pare, ki bi bila lahko v isti atmosferi pri isti temperaturi in bi bila atmosfera popolnoma nasičena z vlago. Tudi ta podatek je zelo pomemben za izolacijske materiale in merilne naprave. V tropskih krajih je lahko relativna vlaga tudi 100 %.

23. Mehanska napetost σ To je sila, ki deluje pravokotno na 1 m 2 preseka nekega telesa in je po preseku enakomerno porazdeljena: σ - mehanska napetost [N/m 2 ] F - sila na presek telesa [N] S - presek telesa [m 2 ] σ F S N m = 2

Glede na to kako sila na telo deluje ločimo: natezna napetost σ n je posledica sile, ki telo razteza tlačna napetost σ tl je posledica sile F, ki telo stiska pri strižni napetosti σ s deluje sila paralelno na presek telesa upogibna napetost σ u pa deluje tako, da palico upogne.

σ d l σ ε = ali = = E l E 0 F E S ali d l = F l 0 E S

25. Trdota To je odpornost materiala proti udiranju drugega materiala, ki je trši. Označujemo jo s podatki, ki jih črpamo iz različnih metod. Enote za merjenje trdote so iste kot pri merjenju pritiska [N/m 2 ] ali pa so kar relativne vrednosti. a) Mohsova trdotna lestvica Vsebuje deset materialov. Prvi je najmehkejši lojevec in zadnji, najtrši, je diamant. 1. lojevec 6. živec 2. sadra 7. kremenjak 3. apnenec 8. topaz 4. fluorit 9. korund 5. apetit 10. diamant

b) Brinellova trdota H B ali HB Pri tej metodi uporabljamo trdo jekleno kroglico, ki jo z določeno silo vtiskamo v preizkušani material. Za kovine je premer kroglice 10 mm, sila 3 x 10 4 N pa mora delovati 30 s. Dobljeni rezultat označimo z: HB 10/30000/30 Za plastične materiale uporabljamo kroglice s premerom 5 mm, silo 500 N za čas od 10 do 60 s. Po prenehanju delovanja sile, izmerimo višino ali površino vdrtine in njen premer. Trdoto izračunamo po enačbi: F F 2 F HB = = = S π h d π D D D d F - sila [N] S - površina vdrtine [mm 2 ] h - višina vdrtine [mm] d - premer vdrtine [mm] D - premer kroglice [mm] H B - Brinellova trdota [N/mm 2 ] ( ) 2 2

c) Vickersova trdota HV V material vtiskamo diamantno piramido s kvadratično osnovnico in vršnim kotom med dvema nasprotnima ploskvama 136. Sile vtiskanja so 50, 100, 300 in 500 N. Sile izbiramo tako, da je diagonala d vdrtine enaka ali večja od 0,4 mm. Trdoto izračunamo s pomočjo enačbe: HV F N = 18544, d 2 mm 2 d - diagonala vdrtine [mm]

d) Rockwellova trdota HRC V material vtiskamo bodisi jekleno kroglico premera 1,588 mm ali 3,175 mm ali pa diamantni stožec z vršnim kotom 120. Sile izbiramo med 100 in 1500 N. Vrednosti trdote odčitavamo direktno na merilnem instrumentu s skalami od A do H. (običajno uporabljamo A, B in C skalo)

26. Temperaturni raztezek To je podaljšanje 1 m dolge palice, ki jo segrejemo za 1 C. Govorimo o linearnem temperaturnem raztezku: α = 1 L 0 dl dt 1 C o L 0 - dolžina palice pri referenčni temperaturi. ( ) [ ] L = L0 1+ α T m

Površinski temperaturni raztezek: γ = 2 α Prostorski temperaturni raztezek: β = 1 V 0 dv dt β 3 α

26.Specifična toplota c Q = csr m T Q c = J sr m T o kg C c v, c p

27.Toplotna prevodnost λ T Toplotna prevodnost snovi je količina, ki pove, koliko toplote lahko preide skozi snov s presekom 1 m 2 v dolžini 1 m v času 1 s pri temperaturni razliki 1 C. λ T = Qp l S T W o m C Q p = λt S T [ W], l J s Q p - količina toplote, ki preteče skozi telo v času 1 s S - presek telesa [m 2 ] T - temperaturna razlika med koncema telesa [ C] l - dolžina telesa [m] - toplotna prevodnost [W/m C] λ T

31. Specifična upornost ρ R = ρ l S ρ = R S l 2 Ω 6 mm m = [ 10 Ω m] 32. Temperaturni koeficient upornosti α R dr 1 ρ l = = dt R T S S ρ l = ρ ρ T R R [ ( )] 2 = 1 1 αϑ ϑ 1 1 ϑ2